一种头部姿态检测方法、装置和耳机与流程
本发明涉及耳机技术领域，特别涉及一种头部姿态检测方法、装置和耳机。
背景技术：
现代生活中，佩戴耳机已经成为用户日常的一种生活习惯，例如，在上班的路上，佩戴耳机听音乐或者新闻可以使时间得到充分的利用。但是，在用户佩戴耳机的过程中，用户往往存在不良的姿势，带来不良后果，例如，在公共场合，随着耳机中播放的音乐不停的摇头晃脑，一方面对造成不良的公共形象，另一方面也不利于用户的身心健康。所以，需要一种耳机，检测用户的头部姿态，以便在用户处于不正确的头部姿态时，及时提醒用户进行调整。
现有技术中的耳机的头部姿态检测技术是利用陀螺仪传感器进行姿态解算，或者直接基于陀螺仪进行传感器数值的分析。但是，由于陀螺仪本身存在回摆现象，造成头部姿态检测的不准确性，成本和功耗较大。如选择时间阈值是3s，其中前1-2秒由于陀螺仪本身的误差造成测量结果是不准确的，影响解算或分析结果。
技术实现要素：
鉴于上述问题，提出了本发明的一种头部姿态检测方法、装置和耳机，以便解决或至少部分地解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种头部姿态检测方法，所述方法包括：
分别获取耳机中的加速度传感器采集的加速度数据和磁力传感器在同一时刻采集的磁场数据；
使用同一时刻的所述加速度数据和所述磁场数据计算该时刻的姿态角；
根据所述姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向所述耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便所述马达根据所述头部姿态异常的指令进行振动提示。
根据本发明的另一个方面，提供了一种头部姿态检测装置，所述装置包括：
获取单元，用于分别获取耳机中的加速度传感器采集的加速度数据和磁力传感器在同一时刻采集的磁场数据；
计算单元，用于使用同一时刻的所述加速度数据和所述磁场数据计算该时刻的姿态角；
判断单元，用于根据所述姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向所述耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便所述马达根据所述头部姿态异常的指令进行振动提示。
根据本发明的又一个方面，提供了一种头部姿态检测装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间通过内部总线通讯连接，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能够实现如前所述的方法步骤。
根据本发明的再一个方面，提供了一种耳机，所述耳机包括加速度传感器、磁力传感器、马达和如前所述的头部姿态检测装置；
所述加速度传感器，用于采集加速度数据；
所述磁力传感器，用于采集磁场数据；
所述马达，用于根据所述头部姿态检测装置发送的头部姿态异常的指令进行振动提示。
综上所述，本发明的技术方案是通过加速度传感器和磁力传感器采集加速度数据和磁场数据；使用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角；然后根据姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便马达根据头部姿态异常的指令进行振动提示，用户感知到该振动提示后进行头部姿态的调整。可见，通过本发明的技术方案，直接利用加速度传感器和磁力传感器可以准确采集加速度数据和磁场数据，避免陀螺仪的回摆误差，提高用户的头部姿态的检测准确度，减少耳机的成本和功耗，提高用户体验。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种头部姿态检测方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种耳机的随体坐标系的示意图；
图3为本发明另一个实施例提供的一种头部姿态检测方法的流程示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种头部姿态检测装置的功能结构示意图；
图5为本发明另一个实施例提供的一种头部姿态检测装置的功能结构示意图；
图6为本发明一个实施例提供的一种耳机的功能结构示意图。
具体实施方式
本发明的设计思路是：采用加速度传感器和磁力传感器采集加速度数据和磁场数据，根据加速度数据和磁场数据计算头部姿态角，进而根据姿态角判断头部姿态是否异常。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明一个实施例提供的一种头部姿态检测方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤s110，分别获取耳机中的加速度传感器采集的加速度数据和磁力传感器在同一时刻采集的磁场数据。
首先用户佩戴耳机，并将耳机与手机相连接，当用户将耳机和头部姿态调整到较为理想状态后，通过手机端进行确认，手机端向耳机中央处理模块发出指令，记录此时状态，此步骤可以使耳机对头部姿态的矫正适应于不同人群。理想状态确认后，佩戴耳机过程中，耳机中的加速度计和磁力计开始采集数据。
本实施例中，采用的是加速度传感器和磁力传感器采集的数据，不存在现有技术中的陀螺仪的回摆现象，可以获得准确的加速度数据和同一时刻的磁场数据，以便根据该加速度数据和磁场数据进行头部姿态的检测。
步骤s120，使用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角。
因为要对用户头部姿态进行实时检测，即获得当前时刻用户的头部姿态，而姿态角可以作为头部摆头、摇头等姿态的标识。所以，本实施例中采用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角，这里的姿态角包括俯仰角、翻滚角和航向角。
步骤s130，根据姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便马达根据头部姿态异常的指令进行振动提示。
本实施例中具体是通过判断各姿态角基于标准值的变化，判断头部姿态是否异常，例如，各姿态角与标准值的差值是否大于预设阈值。如果判断头部姿态异常，就会生成相应的头部姿态异常的指令发送给耳机中的马达，马达就会根据该指令进行振动，提示用户头部姿态不正常。
在本发明的一个实施例中，还可以将计算的各姿态角的数值发送给与耳机建立连接的智能终端，该智能终端安装有具有分析统计姿态角功能的应用程序，以便智能终端进行统计分析并显示，用户可以根据显示的内容直观地获取自身头部姿态变化情况，或者分享给他人。
可见，通过本发明的技术方案，直接利用加速度传感器和磁力传感器可以准确采集加速度数据和磁场数据，避免陀螺仪的回摆误差，提高用户的头部姿态的检测准确度，减少耳机的成本和功耗，提高用户体验。
在本发明的一个实施例中，图1所示的步骤s120中的使用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角包括以下的步骤：
(1)将空间任意一点在绝对坐标系下的旋转运动转换为在耳机的随体坐标系下的旋转运动获得转换矩阵。
本实施例中，绝对坐标系为地球坐标系，原点o与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点。
图2为本发明一个实施例提供的一种耳机的随体坐标系的示意图。如图2所示，耳机的随体坐标系是以耳机中心为原点，以耳机在佩戴状态时前方的指向为x轴，以耳机在佩戴状态时右方的指向为y轴，以耳机在佩戴状态时下方的指向为z轴。
需要说明的是，图2是以左耳耳机佩戴状态为例进行耳机随体坐标系的说明，但是可知的是无论是右耳耳机还是左耳耳机，均是耳机在佩戴状态时，前方的指向为x轴，右方的指向为y轴，下方的指向为z轴。
俯仰角为绕y轴转动的角度，可以标识用户的前后摆头；翻滚角为绕x轴转动的角度，可以标识用户的左右摆头；航向角为绕z轴转动的角度，可以标识用户的左右摇头。
(2)使用转换矩阵确定重力加速度在耳机的随体坐标系下的每个轴上的分布，将每个轴上的分布数值等于加速度数据中对应轴的加速度值，确定俯仰角和翻滚角。
(3)使用转换矩阵，确定地磁的水平分量和竖直分量在耳机的随体坐标系下的每个轴上的分布，将每个轴上的分布数值等于磁场数据中对应轴的磁场值，确定航向角。
本实施例中，在地球坐标系(绝对坐标系)中，地磁的水平分量是由南向北，地磁的竖直分量是竖直向下。使用转换矩阵，将地磁的水平分量和竖直分量从地球坐标系转换成耳机的随体坐标系下的每个轴上的分布。
在一个具体的例子中，给出了姿态角的具体推导流程。其中，pitch是俯仰角、roll是翻滚角、yaw是航向角；gx、gy、gz是加速度传感器采集的加速度数据，mx、my、mz是磁力计传感器采集的磁场数据；mn是地磁的水平分量，md是地磁的竖直分量。具体如下：
将空间任意一点在绝对坐标系下的旋转运动转换为在本实施例中的耳机的随体坐标系下的旋转运动获得转换矩阵
使用转换矩阵乘重力加速度组成的矩阵
具体地，将转换矩阵乘重力加速度组成的矩阵
使用转换矩阵的逆矩阵
其中，arcsin是反正弦；arctan2是反正切。
从上述推导流程可知，通过加速度传感器采集的加速度数据可以计算俯仰角和翻滚角；又因为航向角与俯仰角和翻滚角有关，即通过加速度传感器采集的加速度数据和磁力传感器采集的磁场数据可以计算航向角。
为使加速度传感器和磁力传感器采集的数据准确，在本发明的一个实施例中，上述的加速度传感器在使用之前需要经过“六”面或者“十二”面的校准补偿，；磁力传感器需要进行空间画“8”字的校准补偿。
在本发明的一个实施例中，加速度传感器是bosch公司的产品；磁力传感器是pin公司的产品，数据的采集时间间隔为6ms。
因为现有技术中，直接采用姿态角的变化与角度阈值进行比较来确定头部姿态是否异常。但是有很多情况，采用这种比较方法就不能准确检测到用户头部姿态的异常。例如，用户进行的并非是单一的摆头动作，即进行复合运动；再例如，如果姿态角跨‘0’点时，即存在正负值，这时直接累加会导致姿态角结果与实际摆动幅度不匹配，姿态角偏小的情况出现，即姿态角的变化小于角度阈值，可能出现此时的头部姿态异常不能被检测到。又例如，用户长时间保持同一个头部动作后，想进行一下放松的调整，即瞬时间的头部摆动后恢复正常头部姿势，这时不应该进行振动提示，但是现有技术中的方法是可以检测到异常并提示的。也就是说，现有技术中在进行头部姿态检测时，无法综合考虑用户的各种状态，容易出现漏测或者误判的情况出现，降低用户体验。
为了解决上述问题，在本发明的一个实施例中，图1所示的步骤s130中的根据姿态角，判断头部姿态是否异常包括：
分别计算姿态角中的俯仰角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准俯仰角的第一差值、姿态角中的翻滚角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准翻滚角的第二差值和姿态角中的航向角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准航向角的第三差值。
例如，这里预设标准俯仰角是pitch_1，预设标准翻滚角roll_1，预设标准航向角是yaw_1，计算值为
需要说明的是，这里的预设角度可以是生产商进行设定，或者为适应不同的人群，这里的预设标准角可以是用户根据需求在智能终端自行设定，或者如上文说明，用户每次使用时，定义一个理想头部姿势后，在智能终端处进行确定处理，智能终端可以将该理想姿势确认后，智能终端会向耳机发送记录此时状态的指令，然后耳机根据记录的相应的标准角度进行判断。
分别判断第一差值、第二差值和第三差值是否大于第一角度阈值，若判断其中一个差值大于第一角度阈值，则确定头部姿态是摆头或摇头，头部姿态异常；若判断为否，则确定头部姿态正常。例如，判断第一差值是否大于第一角度阈值，就可以识别用户是否在进行前后摆头；判断第二差值是否大于第一角度阈值，就可以识别用户是否在进行左右摆头；判断第三差值是否大于第一角度阈值，就可以识别用户是否在进行左右摇头。
若均判断为不大于第一角度阈值，则进一步判断第一差值、第二差值和第三差值的复合角是否大于第二角度阈值。若判断为是，则确定头部姿态是头部复合运动，头部姿态异常；若判断为否，则确定头部姿态正常。
这里的复合角基于第一差值、第二差值和第三差值的平方和的开方得到。这样就可以将用户绕x轴、y轴和z轴的复合运动表示出来，以进行判断。
在本实施例中，通过预设时间段内的绝对值的平均值进行计算，保证姿态角跨‘0’点时，变化量也足够大，且可避免用户瞬时调整时的错误判断。同时，对第一差值、第二差值和第三差值的复合角进行判断，防止在进行单一角度判断时符合要求，但是用户正在进行异常的复合头部运动的情况，提高头部姿态判断的准确度。
在本实施例中，上述的复合角基于第一差值、第二差值和第三差值的平方和的开方得到，例如，复合角是
现有技术中，没有采用时间阈值作为头部姿态的判断标准，同样无法检测到需要矫正的头部姿势。在本发明的一个实施例中，
上述的在判断第一差值、第二差值和第三差值中的其中一个差值大于第一角度阈值时，确定头部姿态是摆头或摇头还包括：获取该差值大于第一角度阈值的第一持续时间，若第一持续时间大于第一时间阈值，则确定头部姿态是摆头或摇头，头部姿态异常。
上述的在判断复合角大于第二角度阈值时，确定头部姿态头部复合运动还包括：获取复合角大于第二角度阈值的第二持续时间，若第二持续时间大于第二时间阈值，则确定头部姿态是头部复合运动，头部姿态异常。
本实施例中，获取第一持续时间和/或第二持续时间时，可以采用现有技术中可以实现的持续时间的获得的方式进行。将时间阈值的判断加入后，可以排除用户瞬时的头部调整带来的不需要的误判提示，允许用户短暂的调整姿势，提高用户体验。
现有技术中，不免会出现用户快速摆头，但是幅度很小，例如快速复合运动，从单一的姿态角变化以及复合角的变化都无法检测出来的情况，那么进一步地，
若判断复合角不大于第二角度阈值，则进一步判断复合角是否大于第三角度阈值，以及判断在预设时间内，姿态角中的任意一个在零值的上下跳动的次数是否大于预设次数阈值；若均判断为是，获取复合角大于第三角度阈值的第三持续时间，若第三持续时间大于第三时间阈值，则确定头部姿态异常。这里的第三角度阈值小于第二角度阈值。
这样，就可以将振动幅度很小的快速复合运动检测出来，在本实施例中，因为是判断快速复合运动，还需要判断姿态角中的任意一个角度在零值的上下跳动的次数是否大于预设次数阈值，即判断姿态角是否在进行快频率的小幅度的振动，以更加准确地判断出上述的快速复合运动。
本实施例中，上述的在零值的上下跳动的次数是指姿态角中的任意一个角度相邻的测量计算值从正值直接变为负值的次数。例如，俯仰角的前一个测量计算值是正值，当前测量计算值是负值，其在零值的上下跳动次数就计一次。
在一个具体的例子中，在预设时间3s内计算获得的俯仰角依次是-1、0、2、-1、1、-2、2，则2至-1是一次、-1至1是一次、1至-2是一次、-2至2是一次，那么在零值的上下跳动的次数是4，大于预设次数阈值3，则用户头部姿势为快速复合运动。
需要说明的是，在本实施例中采用的是在零值的上下跳动的次数进行判断，这里并非是限定的，也可以是采用在一个预设值上下的跳动的次数，例如，预设值是预设标准角。
在一个具体的例子中，预设标准俯仰角是1°，在预设时间3s内计算获得的俯仰角依次是-1、3、1、2、-1、2、-2，则-1至3是一次、2至-1是一次、-1至2是一次、2至-2是一次，上下跳动的次数是4，大于预设次数阈值3，则用户头部姿势为快速复合运动。
图3为本发明另一个实施例提供的一种头部姿态检测方法的流程示意图。如图3所示，该步骤如下：
步骤s310，用户佩戴耳机，与手机(智能终端)进行连接，这里的连接可以是有线连接或者无线连接(例如，蓝牙连接)。
步骤s320，用户调整头部姿态至正确的姿态，并将该正确姿态的参数发送给手机。
步骤s330，手机端的应用程序app，会确认此状态为理想头部姿态状态。
步骤s340，在用户使用或者佩戴耳机的过程中，判断头部姿态是否异常。若判断头部姿态正常，则步骤s370将姿态角的数据发送给手机。
步骤s350，若判断头部姿态不正常，则进行马达振动提示；
步骤s360，用户感知到马达振动后，将头部姿态调整到理想状态。
步骤s370，将姿态角的数据发送给手机。
在本发明的一个实施例中，判断头部姿态是否异常包括：
(1)判断头部姿态是否为前后摇头。具体是判断姿态角中的俯仰角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准俯仰角的第一差值是否大于第一预设阈值，若判断为是，获取该差值大于第一预设角度阈值的第一持续时间，若第一持续时间大于第一时间阈值，则确定头部姿态是前后摆头，头部姿态异常。
(2)判断头部姿态是否为左右摆头。具体是判断姿态角中的翻滚角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准翻滚角的第二差值是否大于第一预设阈值，若判断为是，获取该差值大于第一预设角度阈值的第二持续时间，若第二持续时间大于第二时间阈值，则确定头部姿态是左右摆头，头部姿态异常。
(3)判断头部姿态是否为左右摇头。具体是判断姿态角中的航向角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准航向角的第三差值是否大于第一预设阈值，若判断为是，获取该差值大于第一预设角度阈值的第三持续时间，若第三持续时间大于第三时间阈值，则确定头部姿态是左右摇头，头部姿态异常。
(4)在上述(1)、(2)、(3)均判断为否的情况下，判断头部姿态是否为复合运动。具体是判断第一差值、第二差值和第三差值的复合角
(5)在上述(4)判断为否的情况下，判断头部姿态是否为快速复合运动。具体是判断复合角是否大于第三预设角度阈值，以及判断在预设时间内，姿态角中的任意一个在零点的上下跳动的次数是否大于预设次数阈值；若均判断为是，获取复合角大于第三预设角度阈值的第五持续时间，若第五持续时间大于第五时间阈值，则确定头部姿态是头部快速复合运动。
图4为本发明一个实施例提供的一种头部姿态检测装置的功能结构示意图。如图4所示，该头部姿态检测装置400包括：
获取单元410，用于分别获取耳机中的加速度传感器采集的加速度数据和磁力传感器在同一时刻采集的磁场数据。
计算单元420，用于使用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角。
判断单元430，用于根据姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便马达根据头部姿态异常的指令进行振动提示。
在本发明的一个实施例中，计算单元420具体用于，
将空间任意一点在绝对坐标系下的旋转运动转换为在耳机的随体坐标系下的旋转运动获得转换矩阵；其中，耳机的随体坐标系是以耳机中心为原点，以耳机在佩戴状态时前方的指向为x轴，以耳机在佩戴状态时右方的指向为y轴，以耳机在佩戴状态时下方的指向为z轴。
使用转换矩阵确定重力加速度在耳机的随体坐标系下的每个轴上的分布，将每个轴上的分布数值等于加速度数据中对应轴的加速度值，确定俯仰角和翻滚角；以及，使用转换矩阵，确定地磁的水平分量和竖直分量在耳机的随体坐标系下的每个轴上的分布，将每个轴上的分布数值等于磁场数据中对应轴的磁场值，确定航向角。
进一步地，
计算单元420，还用于分别计算姿态角中的俯仰角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准俯仰角的第一差值、姿态角中的翻滚角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准翻滚角的第二差值和姿态角中的航向角在预设时间段内的绝对值的平均值与预设标准航向角的第三差值。
判断单元430具体用于：
分别判断第一差值、第二差值和第三差值是否大于第一预设角度阈值，若判断其中一个差值大于第一预设角度阈值，获取该差值大于第一预设角度阈值的第一持续时间，若第一持续时间大于第一时间阈值，则确定头部姿态是摆头或摇头。
若均判断为不大于第一角度阈值，则进一步判断第一差值、第二差值和第三差值的复合角是否大于第二预设角度阈值，复合角基于第一差值、第二差值和第三差值的平方和的开方得到，若判断为是，获取复合角大于第二预设角度阈值的第二持续时间，若第二持续时间大于第二时间阈值，则确定头部姿态是头部复合运动。
若判断复合角不大于第二预设角度阈值，则进一步判断复合角是否大于第三预设角度阈值，以及判断在预设时间内，姿态角中的任意一个在零值的上下跳动的次数是否大于预设次数阈值；若均判断为是，获取复合角大于第三预设角度阈值的第三持续时间，若第三持续时间大于第三时间阈值，则确定头部姿态是头部快速复合运动。
图5为本发明又一个实施例提供的一种头部姿态检测装置的结构示意图。如图5所示，头部姿态检测装置500包括存储器510和处理器520，存储器510和处理器520之间通过内部总线530通讯连接，存储器510存储有能够被处理器520执行的头部姿态检测的计算机程序511，该头部姿态检测的计算机程序511被处理器520执行时能够实现图1中所示的方法步骤。
在不同的实施例中，存储器510可以是内存或者非易失性存储器。其中非易失性存储器可以是：存储驱动器(如硬盘驱动器)、固态硬盘、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的存储介质，或者它们的组合。内存可以是：ram(radomaccessmemory，随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存。进一步，非易失性存储器和内存作为机器可读存储介质，其上可存储由处理器520执行的头部姿态检测的计算机程序511。
图6为本发明一个实施例提供的一种耳机的功能结构示意图。如图6所示，该耳机600包括加速度传感器610、磁力传感器620、马达630和如图4或图5所示的头部姿态检测装置640。
加速度传感器610，用于采集加速度数据。
磁力传感器620，用于采集磁场数据。
马达630，用于根据头部姿态检测装置发送的头部姿态异常的指令进行振动提示。
需要说明的是，图4和图5所示的装置、图6所示的耳机的各实施例与图1所示方法的各实施例对应相同，上文已有详细说明，在此不再赘述。
综上所述，本发明的技术方案是通过加速度传感器和磁力传感器采集加速度数据和磁场数据；使用同一时刻的加速度数据和磁场数据计算该时刻的姿态角；然后根据姿态角，判断头部姿态是否异常；若判断为异常，则向耳机中的马达发送头部姿态异常的指令，以便马达根据头部姿态异常的指令进行振动提示，用户感知到该振动提示后进行头部姿态的调整。可见，通过本发明的技术方案，直接利用加速度传感器和磁力传感器可以准确采集加速度数据和磁场数据，避免陀螺仪的回摆误差，提高用户的头部姿态的检测准确度，减少耳机的成本和功耗，提高用户体验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！